Nghiên cứu khả năng hấp phụ cr trên vỏ trấu và ứng dụng xử lý tách cr khỏi nguồn nước thải

Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện xác định Crom bằng phương pháp đo độ hấp thụ quang của phức màu giữa CrVI với thuốc thử Điphenylcarbazid.. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu đ

Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr trên vỏ trấu và ứng dụng xử lý tách Cr khỏi nguồn nước thải

Lê Thị Tình

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; Khoa Hóa học

Chuyên ngành: Hóa Phân tích; Mã số: 60 44 29 Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Xuân Trung

Năm bảo vệ: 2011

Abstract Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện xác định Crom bằng phương pháp đo độ hấp

thụ quang của phức màu giữa Cr(VI) với thuốc thử Điphenylcarbazid Chế tạo vật liệu hấp phụ vỏ trấu biến tính Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu đối với Cr(VI), Cr(III) Nghiên cứu ảnh hưởng các điều kiện pH, nồng độ của chất bị hấp phụ, thời gian và ảnh hưởng của các ion kim loại đến khả năng hấp phụ của vật liệu Áp dụng xử lý mẫu thực tế

Keywords Hóa phân tích; Vỏ trấu; Nước thải; Ô nhiễm nước; Kim loại nặng; Crôm

Content:

Nước là một tài nguyên vô tận, giữ một vai trò quan trọng trong quá trình hình thành và phát triển sinh quyển Không thể có sự sống khi không có nước Nước đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và đời sống

Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật và cuộc sống của con người được nâng cao, thì nhu cầu về nước ngày càng nhiều, nhưng sự ô nhiễm môi trường nước xảy ra ngày một nghiêm trọng hơn Đặc biệt là ô nhiễm các kim loại nặng, những kim loại này có liên quan trực tiếp đến biến đổi gen, ung thư, cũng như ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường ngay cả ở hàm lượng nhỏ( ví dụ Cr) Với mục tiêu là tìm kiếm vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có thể tái tạo được để hấp phụ, loại bỏ kim loại nặng trong nước là vấn đề chúng tôi lựa chọn

Vỏ trấu là phụ phẩm của nông nghiệp, rẻ tiền, dễ kiếm, không làm nguồn nước

bị ô nhiễm Mặt khác Việt Nam là một nước có nguồn phế thải nông nghiệp dồi dào

song việc sử dụng chúng vào việc chế tạo vật liệu hấp phụ nhằm xử lý nước thải còn

ít được quan tâm, chúng tôi hy vọng rằng vật liệu này có thể ứng dụng vào xử lý kim loại nặng có trong nguồn nước bị ô nhiễm, góp phần làm cho môi trường xanh – sạch – đẹp

NỘI DUNG LUẬN VĂN

I Lý do chọn đề tài

Với mục tiêu là tìm kiếm vật liệu mới để hấp phụ, loại bỏ kim loại nặng trong nguồn nước bị ô nhiễm

II Mục đích nghiên cứu

Tìm kiếm vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có thể tái tạo được để hấp phụ, loại bỏ kim loại nặng trong nước, không làm nguồn nước bin ô nhiễm

III Tóm tắt luận văn

Tổng quan

1 Độc tính của Crom

Crom có đặc tính lý học (bền ở nhiệt độ cao, khó oxi hoá, cứng và tạo màu

tốt…) nên được sử dụng rộng rãi Vì vậy mà tác hại của nó gây ra ngày càng nhiều Kết quả nghiên cứu cho thấy Cr(VI) dù chỉ với một lượng nhỏ cũng là nguyên nhân chính ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người Chính vì vậy, việc xác định hàm

lượng và loại bỏ Crom là cần thiết nhằm đảm bảo có nước sạch cho sinh hoạt, cho

sản xuất và làm trong sạch môi trường

2 Các phương pháp tách loại Crom

Có rất nhiều phương pháp để xử lý, tách loại kim loại nặng nói chung

và Crom trong nước thải nói riêng: Phương pháp kết tủa, phương pháp trao đổi ion, phương pháp hấp phụ Phương pháp hấp phụ là phương pháp được áp dụng rộng rãi

và rất khả thi, vật liệu hấp phụ đa dạng và phong phú Một trong những vật liệu sử dụng để hấp phụ kim loại nặng trong nước thải đang được nhiều người quan tâm đó

là các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên, các phụ phẩm của nông nghiệp

Thực nghiệm

1 Chuẩn bị vật liệu

- Chuẩn bị vỏ trấu Cân 0,5 kg vỏ trấu rửa sạch, đun với nước cất 2 lần ở nhiệt

độ 300C, thời gian 5giờ, đem sấy ở nhiệt độ 800C thời gian 24 giờ Sau đó nghiền nhỏ với kích thước = 0,3 mm, đem sấy lại và bảo quản trong bình hút ẩm ta được vật liệu vỏ trấu (VL1)

- Chuẩn bị vỏ trấu biến tính với HCHO

Lấy vỏ trấu rửa sạch đun với HCHO với tỉ lệ 200g/l ở nhiệt độ 300C, thời gian 5giờ, rửa sạch hết HCHO bằng nước cất, đem sấy ở nhiệt độ 800C thời gian 24 giờ, nghiền nhỏ với kích thước = 0,3 mm, đem sấy lại và bảo quản trong bình hút ẩm ta được vật liệu VL2

Kết quả và thảo luận

1 Tối ưu hóa các điều kiện xác định Crom bằng phương pháp đo quang với thuốc thử ĐPC

Qua khảo sát chúng tôi đã chọn được các điều kiện tối ưu sau

Danh mục các yếu tố Đơn Vị Giới hạn về nồng độ

Bước sóng nm 540

Thời gian đo phức Phút 10 – 45

Khoảng tuyến tính của phép đo ppm 0,1 – 1,1

Hệ số biến động của phép đo CV % 0,89

2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr

2.1 Xác định hình dạng và nhóm chức của vật liệu

a Xác định hình dạng vật liệu

Mẫu vật liệu được đưa vào máy hiển vi điện tử quét JFM – 5410 LV của hãng YEOL – Nhật Bản thuộc Trung tâm khoa học vật liệu – Khoa Vật lý – Trường ĐHKHTN Các hình chụp được là ở các độ phóng đại khác nhau

Từ hình trên ta thấy các mảnh vỏ trấu có cấu trúc xốp, HCHO phủ lên bao bọc các mảnh vỏ trấu và chúng gắn kết lại với nhau tạo ra các mao quản làm tăng độ xốp của vật liệu Do vậy chúng có thể hấp phụ các ion kim loại dễ dàng

b Xác định nhóm chức bằng phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại được thực hiện trên máy GX – PerkinElmer – USA của bộ môn hóa vật liệu – Khoa hóa – Trường ĐHKHTN

Phổ hồng ngoại Phổ hồng ngoại

Nhìn vào phổ hồng ngoại trước và sau khi hấp phụ Ta có thể nhận thấy dễ dàng khi đã hấp phụ các đỉnh pic thay đổi rất lớn điều đó chứng tỏ các nhóm chức đã tham gia quá trình hấp phụ

2.2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ Crom của vật liệu theo phương pháp tĩnh 2.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu

Chuẩn bị 1 dãy bình chứa 0,2 g vật liệu có thêm các dung dịch Cr+6

20ppm với giá trị

pH thay đổi 1  8, dung dịch Cr(III) 19,84ppm có giá trị pH = 1  6 Tất cả các mẫu đều được lắc với cùng tốc độ 150 vòng/ phút trong thời gian 4 giờ ở nhiệt độ phòng thí nghiệm Sau đó đem lọc, xác định nồng độ Crom còn lại bằng phương pháp đo quang cho kết quả như sau

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

pH

Cr(VI)/ VL1 Cr(VI)/ VL2 Cr(III)/ VL2

Đường biểu diễn sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ của vật liệu vào pH dung dịch

Vậy chúng tôi chọn pH = 1,5 cho các thí nghiệm tiếp theo Từ kết quả trên cho thấy

VL2 hấp phụ Cr(VI) tốt hơn VL1

Cr(III) bị hấp phụ rất ít trong khoảng pH rộng Do vậy chúng tôi lựa chọn pH = 1,5

chung cho các thí nghiệm nghiên cứu khả năng hấp phụ của Cr(VI), Cr(III) tiếp theo

2.2.2 Ảnh hưởng của thời gian

Chúng tôi tiến hành như trên khảo sát thời gian từ 10 đến 210 phút kết quả

được chỉ ra ở hình sau

Hình 3.11: Ảnh hưởng của thời gian tới quá trình hấp phụ của vật liệu

0 50 100 150 200 0

10 20 30 40 50

Cr(VI) Cr(III)

q e

[Cr(VI)].[Cr(III)] ppm

Nhận xét: Từ kết quả trên chúng tôi thấy thời gian đạt cân bằng hấp phụ của

vật liệu đối với Cr(VI) và Cr(III) là 8,5giờ đến 9 giờ Do vậy các quá trình khảo sát tiếp theo chúng tôi chọn thời gian hấp phụ là 9 giờ

3.2.2.3 Khảo sát nồng độ ban đầu Cr(VI), Cr(III) đến khả năng hấp phụ

Chúng tôi lấy các bình nón đánh số thứ tự, mỗi bình chứa 0,2 gam VL2

Thêm 100 ml dung dịch Cr(VI) và Cr(III) có nồng độ khác nhau, điều chỉnh pH= 1,5 Lắc 9 giờ với tốc độ dòng 150 vòng/phút, ở nhiệt độ phòng thí nghiệm Sau đó xác định nồng dộ Crom còn lại bằng phương pháp đo quang với thuốc thử ĐPC Cho Kết quả sau

Đường đẳng nhiệt hấp phụ Cr(VI), Cr(III) trên VL2

Từ kết quả trên chúng tôi xác định dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số

Langmuir

y = 0,0168x + 0,508

y = 0,2857x + 1,7324

0 5 10 15 20 25 30 35

Cr(VI) Cr(III)

Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Khi đó tính được giá trị hằng số Langmuir và dung lượng hấp phụ cực đại

Đối với Cr(VI): tg = 1/qmax  qmax = 1/tg = 1/0,0168 = 59,52 (mg/g)

b = 1/K.qmax  K = 1/b.qmax = 1/0,508*59,52 = 0,033

Đối với Cr(III): tg = 1/qmax  qmax = 1/tg = 1/0,2857 = 3,5(mg/g)

b = 1/K.qmax K = 1/b.qmax = 1/1,7324*3,5 = 0,1649

3.2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng cạnh tranh của các ion

Để khảo sát ảnh hưởng của các ion tới khả năng hấp phụ của Cr(VI), Cr(III) lên vật liệu (VL2) Chúng tôi chuẩn bị các bình nón, cho các dung dịch khảo sát như đã nói ở trên có thêm các cation đem lắc ở tốc độ 150 vòng/phút Sau 9h, xác định nồng độ Crom còn lại trong dung dịch bằng phương pháp đo quang Kết quả

thu được dưới đây

* Ảnh hưởng đồng thời của các ion Cu 2+

,Ni 2+ ,Fe 3+ , Zn 2+

Hình 3.18: Dung lượng hấp phụ của Cr(VI), Cr(III) khi có mặt Cu 2+ , Ni 2+ , Fe 3+ , Zn 2+

Từ kết quả trên ta thấy, khi có mặt một lượng lớn các ion kim loại đặc biệt là các ion kim loại nặng thì dung lượng hấp phụ Cr giảm

3.2.3 Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu ở điều kiện động

3.2.3.1 Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu

Cho 1,00 gam VL2 vào cột hấp phụ có chiều dài 8cm, đường kính của cột 0,8cm và được định vị trên giá hấp phụ Dung dịch Cr(VI) nồng độ 10ppm, Cr(III) nồng độ 9,82ppm ở pH=1,5 được chảy liên tục qua cột với tốc độ 1ml/phút cho tới khi nồng độ Crom đi ra khỏi cột bằng nồng độ đi vào thì dừng lại Giải hấp lượng Crom bị giữ trên cột bằng 30ml HCL2M/H2O2 0,1% Xác định lượng Crom được rửa giải bằng phương pháp đo quang với thuốc thử ĐPC Kết quả thu được dung lượng hấp phụ cực đại đối với Cr(VI) là 62,5mg/g, Cr(III) là 2,85 mg/g

3.2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của bản chất, nồng độ dung dịch rửa giải Chúng tôi tiến hành như trên và thay đổi nồng độ chất rửa giải HCl từ 0,5 đến 3M cho kết quả sau

Đồ thị sự phụ thuộc hiệu suất rửa giải vào nồng độ axit HCl

Nhận xét: Nhìn vào bảng kết quả ta thấy tác nhân rửa giải là HCl 3M là tốt nhất nhưng nồng độ này dễ làm phân hủy vật liệu Do vậy chúng tôi chọn tác nhân rửa giải là HCl 2M/H2O2 0,1%

2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ nạp mẫu đến khả năng hấp thu của Cr(VI) lên vật liệu (VL2)

Chuẩn bị các cột hấp phụ chứa 1,00gam VL2 Cho các dung dịch chất phân tích trên chảy qua cột hấp phụ với các tốc độ khác nhau từ 1 - 5ml/phút Sau đó ta tiến hành rửa giải bằng 30,0 ml HCl 2M/H2O2 0,1% Thu toàn bộ dung dịch rửa giải đem xác định Cr(VI) bằng phép đo độ hấp thụ quang Kết quả thu được ở hình sau

Hình 3.20: Đồ thị sự phụ thuộc hiệu suất thu hồi vào tốc độ nạp mẫu

Từ kết quả trên ta thấy nếu duy trì tốc độ từ 0,5 – 1,5ml/phút là thích hợp Tuy nhiên tốc độ quá chậm thì tốn nhiều thời gian Do vậy chúng tôi chọn tốc độ nạp mẫu

là 1,0 ml/phút cho các nghiên cứu về sau

2.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của thể tích rửa giải

Hình 3.21 : Đồ thị sự phụ thuộc hiệu suất rửa giải vào thể tích rửa giải

Nhìn vào kết quả trên ta thấy thể tích rửa giải tốt nhất là 30ml HCl 2M/H2O2 0,1%

2.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ rửa giải đến hiệu suất rửa giải

Hình 3.22: Đồ thị sự phụ thuộc hiệu suất rửa giải vào tốc độ rửa giải

Nhận xét: Từ kết quả trên ta thấy tốc độ rửa giải 0,5 ml/phút là rất tốt, nhưng tốc độ quá chậm mất nhiều thời gian Do vậy chúng tôi chọn tốc độ 1,0 ml/phút cho các nghiên cứu tiếp theo

3.2.3.6 Khảo sát ảnh hưởng của một số ion cản trở đến khả năng hấp thu của

Cr 2 O 7 2- trên VL2

chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của một số ion như: Na+

, K+, Ca2+,

Mg2+, Ni2+, Zn2+, Mn2+, Pb2+, Cd2+, Al3+, Fe3+ Dưới đây là các kết quả thu được:

Từ kết quả thực nghiệm ta thấy với nồng độ lớn các ion Zn2+

, Cu2+, Co2+,

Ni2+, Fe3+ thì mới gây ảnh hưởng tới hiệu suất thu hồi Với Zn2+, Cu2+, Ni2+ ảnh hưởng đáng kể khi nồng độ ion này hơn nồng độ Cr(VI) 1000 lần, Với ion Co2+

, Fe3+thì ảnh hưởng khi nồng độ này hơn nồng độ Cr(VI) 500 lần

3.3 Thử nghiệm xử lý mẫu giả và khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu

Chẩn bị mẫu giả có các thành phần như mẫu thật

Bảng : Kết quả hấp phụ tách loại Crom của dung dịch mẫu giả

Tổng lượng Ban đầu (g/l)

Lượng Crôm

đã hấp phụ (g/l)

Lượng Crom còn lại (g/l)

Hiệu suất hấp phụ (%)

Cr(VI) 90

100

98,92 1,08 98,92 99,15 0,85 99,15

99,08 0,92 99.08 98,73 1,27 98,73 Nhận xét: Từ kết quả trên có thể kết luận việc sử dụng vỏ trấu biến tính làm vật liệu hấp phụ crom trong nước thải đạt hiệu suất hấp phụ cao, có khả năng ứng dụng vật liệu này để tách crom khỏi nguồn nước thải

* Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu

Sau mỗi lần hấp phụ, rửa giải Chúng tôi tiến hành hấp phụ và giải hấp những lần sau như lần 1 Kết quả thu được như sau

Số lần sử dụng vật liệu 1 2 3 4 5

Hiệu suất hấp phụ (%) 100 92,65 81,36 69,37 42,63

Từ kết quả bảng trên, chúng tôi thấy vật liệu có khả năng tái sử dụng cho những lần sau, tuy nhiên hiệu suất hấp phụ giảm dần Vì vậy cần nghiên cứu các biện pháp

sử lý thích hợp để tái sử dụng vật liệu khi xử lý nguồn nước thải chứa Crom

3.4 Thử nghiệm xử lý mẫu nước chứa Crom

Để có kết quả chính xác về hàm lượng Crom trước và sau khi xử lý Chúng tôi gửi mẫu phân tích bằng phương pháp ICP-MS, xác định tổng lượng crom tại phòng máy Khoa hóa học – Trường Đại học khoa học tự nhiên Đại học Quốc gia Hà Nội Kết quả thu được ghi trong bảng sau

Bảng : Kết quả thử nghiệm xử lý mẫu nước chứa Crom

Tên mẫu nước hiệu Ký

Lượng Crôm trước khi hấp phụ (g/l)

Lượng Crôm đã hấp phụ (g/l)

Lượng Crôm còn lại sau hấp phụ (g/l)

Lượng Crom được loại bỏ (%)

Nước thải Công ty

Nhôm Sông Hồng -

Việt Trì - Phú Thọ

VT1 76,43 74,87 1,56 97,95 VT2 85,89 84,19 1,70 98,02 VT3 81,75 79,97 1,78 97,82 Nước thải Công ty

Hóa chất Z121 - Phù

Ninh – Phú Thọ

VT5 29,81 29,25 0,56 98,12 VT6 28,37 28,08 0,29 98,97

Từ kết quả nghiên cứu xử lý một số mẫu nước chứa Crom cho thấy, hiệu suất tách loại Crom của vỏ trấu khá cao (trên 90%) Từ đó ta có thể kết luận về triển vọng ứng dụng vật liệu vỏ trấu biến tính tách loại Crom khỏi nguồn nước thải

KẾT LUẬN Sau quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn thạc sĩ với nội dung đề tài:

((Nghiên cứu khả năng hấp phụ crom trên vỏ trấu và ứng dụng xử lý tách crom khỏi nguồn nước thải )) Chúng tôi đã thực hiện được một số công việc sau:

1 Đã nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện xác định Crom bằng phương pháp trắc quang với thuốc thử Điphenylcarbazid

Các điều kiện tối ưu xác định Crom bằng thuốc thử ĐPC như sau:

- Phổ hấp thụ ánh sáng của phức màu đạt cực đại ở bước sóng 540 nm, nồng

độ axit H2SO4 4.10-2M, nồng độ thuốc thử 0,008 %

- Khảo sát ảnh hưởng của các ion đến độ hấp thụ quang của phức màu

- Tìm được khoảng tuyến tính của phép đo: 0,1 – 1.1ppm

- Xây dựng đường chuẩn xác định Crom

- Tìm được: Giới hạn phát hiện là 0,01ppm

Giới hạn định lượng: 0,03ppm

2 Đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Cr(VI), Cr(III) trên vật liệu VL1 và VL2:

- pH = 1,5, thời gian hấp phụ là 9 giờ

- Đã khảo sát được ảnh hưởng của nồng độ đầu và tìm được dung lượng hấp phụ đối với Cr(VI): 59,52 (mg/g) Cr(III): 3,5(mg/g)

- Khảo sát được ảnh hưởng của các ion kim loại đến khả năng hấp phụ của vật liệu

3 Đã khảo sát khả năng hấp phụ Cr của vật liệu ở điều kiện động:

- Dung lượng hấp phụ cực đại đối với Cr(VI) là 62,5mg/g, Cr(III) là 2,85 mg/g